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암석역학 및 실험

2009년 4월 27일

1. 암석역학의 정의와 응용분야(가능하면 세부분야까지)에 대하여 기술하시오.[10]

A: 정의-암석역학(rock mechanics)은 암석과 암반의 역학적 거동에 관한 이론 및 응용과학. 암석과 암반의 변형과 파괴 등을 다루는 역학의 한 분야.

응용분야 - 지하 광물 및 에너지 자원개발, 토목공사, 지구물리학, 지진학 등

응용 분야	활용 시설 유형과 세부 분야
자원개발	지하채광 : 수갱, 사갱, 수평갱도, 주운반 갱도 설계 각종 채굴법 설계(주방식, 장벽식, 붕락식) 노천채광 : 사면의 안정 우주개발 (NASA Project)
석유개발	시추공정, 수압파쇄(2차 채유), 오일 셰일 채광
수자원 및 에너지 저장, 개발	댐, 지하 발전소(수력, 양수, 원자력), 원유와 액화가스의 지하저장, 압축공기, 방사능 폐기물 지하 보관, 지열 개발, 열저장 및 지역 냉난방
교통․수송	고속도로(도로) 터널, 고속철도(철도) 터널 도시지하철 및 정거장, 지하 주차장
사회 공공시설	용수로 터널, 폐․하수로 터널 및 지하 폐․하수 처리장 송배전 및 통신 케이블 터널, 산업 폐기물 처리장
식품․농수산	지하 냉동․ 냉장 저장소, 지하 저온 저장소
군사시설	전략 미사일 지하기지, 지하방어(지휘, 통신, 대피)시설
주거․문화	지하 또는 반지하 주택, 지하상가, 사무실, 창고, 음악당 박물관, 스포츠센터

2. 화성암은 심도 및 실리카 함량에 따라 각각 3가지와 4가지로 암석으로 분류할 수 있다. 각 분류방법에 속한 암석의 특징에 대하여 설명하시오. [15]

A: 심도(생성온도)에 따른 분류

- 심성암(plutonic rock; 深性岩): 심부에 관입된 마그마가 천천히 식으면서

광물 입자가 큰 암석이 됨.

- 반심성암(hypabyssal rock; 半深性岩): 비교적 천부에 관입하거나 심부에서

결정화 과정중 천부로 이동하여 입자가 중립질이거나 반상질(porphyritic

texture)인 암석.

- 화산암(volcanic rock;火山岩): 분출암(extrusive rock)이라고도 한다.

지표로 분출, 빠르게 냉각되어 광물입자가 작거나 생성되지 못함.

SiO2(실리카)함량에 따른 분류

- 산성암(acidic rock; 酸性岩): SiO2가 66% 이상, 밝은색, 규장질암(felsic rock –

feldspar + silica) 이라고도 함. 화학의 산성과는 의미가 다름.

- 중성암(intermediate rock; 中性岩): SiO2가 52~66%.

- 염기성암(basic rock; 塩基性岩): SiO2가 45~52%, 고철질암 (mafic rock; 苦鐵

質岩) 이라고도 한다. 마그네슘과 산화철이 풍부하여 주로 어두운색을 띰.

- 초염기성암(ultramafic rock): SiO2가 45% 이하.

표. 화성암의 분류
SiO2(wt.%) 함량에 의한 분류 조직에 의한 분류		산성암	중성암			염기성암	초염기성암
		> 66	66 - 60	60±	55±	52 - 45	< 45
유리질	화산암	유문암	석영안산암	조면암	안산암	현무암	발견되지 않음
↕	반심성암	화강반암	화강섬록반암	섬장반암	섬록반암	휘록암
완정질	심성암	화강암	화강섬록암	섬장암	섬록암	반려암	감람암

3. 암석의 단축압축강도에 영향을 미치는 요소 5가지를 들고 각각에 대하여 설명하시오.[15]

① 크기효과

시험편의 크기가 커질수록 역학적 결함이 많아지므로 압축강도가 작아진다. 이때 시험편의 크기에 관계없이 강도가 일정해지기 시작하는 지점의 시료크기를 임계치수(critical size)라 함.

② 형상효과

-단면형상의 경우 주변장길이가 상대적으로  클수록 강도가 낮음.

-NX이상의 코어에 대하여 길이/직경비가 2.5~3을 권장(ISRM), 그 이상에서는 좌굴(buckling), 이하에서는 접촉면에서의 마찰(전단)력이 단축압축강도에 큰 영향을 줌.

-직경/길이비에 따른 강도 추정식 (US Bureau of Mines)

③ 가압면의 접촉상태와 마무리 정도

가압면의 편평도 1/1000 in (=0.025mm)이내

가압면과 축방향의 수직도 오차 1/1000 라디안 이내가 되어야 함.

④ 가압속도

가압속도 0.5 ~ 1.0 MPa/sec 이하

⑤ 수분함량

공극수는 교결물질을 용해시키거나(사암, 응회암 등) 수직응력을 약화시켜 강도가 저하된다.

4. 암석의 creep에 대하여 정의하고 Burger모형을 설명하는 아래 식의 의미와 이 식을 구성하는 각 변수 또는 상수의 의미, 그리고 ‘+’로 연결된 우변의 3개 항이 creep 곡선상에서 의미하는 바를 설명하시오.[15]

A: Creep - 암석에 일정한 크기의 응력을 작용시킬 때 시간에 따라 변형이 증가하는 것

Burger모형은 Maxwell모형과 Kelvin 모형의 직렬연결한 것으로서 이 식은 t = 0에서 순간적으로 σ0를 가한 뒤 유지시킬 때(σ = σ0)의 시간에 따른 변형률을 의미한다. Em과 ηm 은 각각 Maxwell 모형에서의 스프링과 dashpot의 물성을 가리키며 Ek와 ηk 는 Kelvin 모형에서의 스프링과 dashpot의 물성을 가리킨다. 이식 우변의 첫항은 t = 0에서의 초기변형률을 나타내고 두 번째 항은 직선으로 표현되는 2차 creep에서의 시간에 따른 변형률 증가를, 세 번째 항은 대수함수적으로 증가하는 1차 creep에서의 그래프를 나타낸다.

5. 어떤 암석의 단축압축강도가 120 MPa이고 내부마찰각이 30°이다. 이 암석이 Mohr-Coulomb 파괴조건식을 따른다고 할 때 봉압(σ2 = σ3)을 30 MPa로 했을 때의 파괴시 축응력(σ1)을 구하시오.[15]

A: Mohr circle을 그려보면 파괴포락선의 수평축(σ)상 절편은 -60 MPa이 되고 이 문제에서의 3축 압축파괴를 의미하는 circle의 중심은 (30+σ1)/2 (MPa), 원의 반경은 (σ1-30)/2이다. 수평축상 절편과 이 원의 중심, 그리고 이 원이 파괴포락선과 만나는 접점이 이루는 직각삼각형의 변의 길이비를 고려해 보면, 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

60 + (30+σ1)/2 = 2×(σ1-30)/2

따라서 σ1 = 210 MPa을 얻을 수 있다.

6. 불연속면의 강도특성을 설명하는 Coulomb의 전단강도식과 Patton의 전단강도식, 그리고 Barton-Bandis의 전단강도식을 비교 설명하시오.[15]

A: Coulomb의 전단강도(전단저항력): S = c + N tanφ  (직선으로 표현됨)

Patton (1966)의 이중선형 관계식: τp = σn tan(φb + i )  σn < σT

τp = σn tanφr + c   σn > σT

여기서 φb 는 기본 마찰각, φr 은 잔류 마찰각 c 는 겉보기 점착강도임

Barton-Bandis (1973)의 전단강도 식(곡선으로 표현됨):

여기서 JCS는 절리면 벽면강도

JRC 는 절리면 거칠기로서 tilt test나 거칠기 profile과의 비교를 통해 결정

7. 불연속면의 기하학적 특성을 나타내는 다음과 같은 용어에 대하여 기술하시오. [15]

1)방향성

-주향(strike)/경사(dip) 또는 경사방향(dip direction)/경사(dip)로 표현

-주향: 불연속면과 수평면의 교선을 진북을 기준으로 측정  예)N35˚E, EW, N20˚W

-경사: 진경사(true dip)와 진경사선(dip vector)을 포함하는 수직면과 수평면의	교선방향을 표기. 예) 60˚SE

-경사방향: 불연속면의 dip vector를 북으로부터 시계방향으로 잰 각. 예) 240, 30

2)간격

-인접한 불연속면간의 거리. 절리군의 평균방향에 수직한 방향으로 측정한 거리의 평균.

-간격이 작을수록 불연속면의 교차에 의해 발생하는 블록이 작아지며 암반강도는 낮아짐

3)연속성

-불연속면의 연장을 의미하는 것으로서 보통 길이로 나타낸다.

-암반에서 불연속면의 전체를 관찰하는 것이 거의 불가능하므로 노두면에 드러난 절리선 길이나 절리선 길이를 이용한 추정치를 사용한다.

4)거칠기

-규모가 작은 요철(uneveness)과 큰 규모의 만곡(waviness)로 구분된다. 전자는 실험실

전단시험에서의 전단강도에, 후자는 전단변위의 초기방향에 영향을 준다.

-JRC(Joint Roughness Coefficient)는 요철을 의미하는 불연속면의 거칠기를 정량적으

로 표현하는 방법이다.